为什么国际空间站不像科幻电影里那样配备人工重力系统?
目前人工重力技术不在理论层面,而是在实践层面。
人工引力最简单的方式就是依靠爱因斯坦在1911中提出的等效原理概念。
根据等效原理,封闭房子里的人分不清自己是站在地上还是以9.8m/s的速度?深空飞行的加速度。
那么按照这个思路,我们完全可以把飞船的加速度保持在9.8m/s?加速飞行。所以宇航员会有站在地面上的感觉。
不过这种方法有个最大的鸡肋,就是加速过程不能持续太久。毕竟通过不断消耗燃料来维持加速运动是不可取的。
最靠谱的办法就是用离心力来模拟重力。
其实离心力是虚力。它是相对于受力对象而言的。
当你坐在一个大圆盘上旋转时,从外部观察者的角度来看,你可以保持平衡,因为摩擦力提供了向心力。
但作为你自己,你能感受到摩擦,却为什么能静止不动?
那么你会假设一个大小相等方向相反的力抵消了摩擦力,这个力在你看来就是离心力。
在空间站上,我们可以依靠旋转产生的离心力来模拟重力。
但是这需要一个巨大的动力系统来产生旋转。
但目前世界上还没有一个国家能把这么笨重的离心力发电系统发射到外太空,因为火箭载荷太低。
如果发射部件重新组装几次,没有一个国家能承担这个费用。而且空间站上的很多实验都需要在微重力环境下进行。
所以现在的国际空间站没有必要像科幻片一样做一个离心力模拟重力系统。
一是经济效果不划算,二是很多实验需要微重力。
但是在未来的星际旅行中,将会建造模拟重力系统。
在科幻电影电视里,大家都见过一种看起来像轮胎轮廓的空间站。这种空间站是旋转环形空间站。
众所周知,太空中没有重力,所以人和物都处于漂浮状态。这种失重状态短时间是可以的,但是长时间对生活和工作都不好,对人体健康也不好。
如果我们想在太空呆很长时间,我们必须创造人造重力。在目前的科学理论下,唯一的办法就是用匀速圆周运动的向心加速度来模拟重力加速度。向心加速度和重力加速度并不完全相同。如果向心加速度真的取代了重力加速度,我们将生活在环形旋转空间站的内壁上,与生活在地球表面相比,日常现象会有很多细微的差别。比如自由落体的东西不再垂直落向地面,而是有了可感知的轨迹偏差和落点(不再有“搬起石头砸自己的脚”的说法),几层楼之内有了可感知的重量变化(想象一下重量超标时从一楼爬到二楼,就能减肥成功,减肥不再痛苦!),沿着空间站旋转方向向前运动会出现可感知的超重,反向运动会出现可感知的失重(反向跑也能减肥,瞬间减肥不再是梦!!),轴向移动只是正常的。
但是在失重的空间里,在目前的科学理论下,向心加速度是模拟重力的最好也是唯一的选择,至少可以帮助我们实现上、下、前、后的运动。(题外话,在相对论中,直线运动的加速度相当于重力加速度,但显然,我们不可能一直处于直线加速度,否则原本想停留在某个星球上的空间站就变成了宇宙航行的飞船,肯定没有足够的燃料让飞船保持加速飞行。)
那么,如何设计旋转环形空间站呢?自我改造空间站的基本设计公式其实很简单,其实就是初中的物理水平。公式是:a = R4π2n ^ 2。